DE3014245C2

DE3014245C2 - Verbrennungs- und Heizeinrichtung mit einem keramischen Brennerkopf

Info

Publication number: DE3014245C2
Application number: DE3014245A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dr. 5110 Alsdorf Förster; Hubert 5170 Jülich Jaegers; Peter Dr. 5100 Aachen Quell
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1980-04-14
Filing date: 1980-04-14
Publication date: 1984-06-28
Also published as: DE3014245A1; US4391227A; JPS56160542A; JPH0246857B2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungs- und Heizeinrichtung oder fluessige Brennstoffe, dem ein Rekuperator nachgeschaltet ist, der vom Brenner erzeugten Heissgas im Waermeaustausch mit einem aufzuheizenden Medium durchstroemt ist. Aufgabe der Erfindung ist es, eine derartige Einrichtung zu schaffen, mit der bei hohen Heissgastemperaturen eine Rueckgewinnung der Energie bis zur Abkuehlung des Heissgases unter die Taupunkttemperatur ohne Korrosionsprobleme erreichbar ist. Darueber hinaus soll eine kompakte Heizeinrichtung mit geringem Raumbedarf ausgebildet werden. Die Loesung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein keramischer Brennerkopf mit zum Brennermund parallel zueinander gefuehrten Stroemungskanaelen fuer Brennstoff und Oxidationsmittel, die einen schlitzfoermigen Querschnitt aufweisen und laengs ihrer gestreckten Seiten benachbart angeordnet sind, und ein keramischer Rekuperator mit parallel zueinander gefuehrten schlitzfoermigen Stroemungskanaelen fuer Heissgas und aufzuheizendes Medium, die ebenfalls laengs ihrer gestreckten Seiten benachbart angeordnet sind, verwendet werden. ...U.S.W

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungs- und Heizeinrichtung mit einem keramischen Brennerkopf gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Eine derartige Verbrennungs- und Heizeinrichtung ist aus der DE-OS 28 53 309 bekannt. Diese Einrichtung weist einen Brennerkopf und einen Wärmeübertrager aus Keramik mit schlitzförmigen Strömungskanälen auf.

Verbrennungs- und Heizeinrichtungen dieser Art werden sowohl in Industrieöfen als auch in Wärmeerzeugern kleinerer Einheit für die Heizung von Wohnräumen oder Wohngebäuden oder die Aufbereitung «> von Warmwasser verwendet. Dabei wird eine hohe Energierückgewinnung aus den vom Brenner erzeugten Heißgasen angestrebt. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn das die Wärme abgebende 1 leißgas unter die Taupunkttemperatur abgekühlt wird. Es ist jedoch da- tv> für Sorge zu tragen, daß das für den Bau der Einrichtung verwendete Material nicht unzulässig korrodiert.

hin keramischer Wärmeübertrager mit schiil/förmigen Strömungskanälen ist auch aus der DE-PS 27 07 290 bekannt. Keramik ist geeignet, das Heißgas über die Taupunkuemperatur abzukühlen, ohne eine Korrosion befürchten zu müssen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verbrennungs- und Heizeinrichtung zu schaffen, mit der ausgehend von hohen Heißgastemperaturen eine Rückgewinnung der erzeugten Energie im Wärmeaustausch bis zur Abkühlung des Heißgases unter die Taupunkttemperatur ohne Korrosionsprobleme erreichbar ist. Darüber hinaus soll eine kompakte Heizeinrichtung mit geringem Raumbedarf ausgebildet werden.

Die Aufgabe der Erfindung wird bei einer Verbrennungs- und Heizeinrichtung der eingangs erwähnten Art durch die im Kennzeichen von Patentanspruch 1 angegebene Ausbildung gelöst. Die Ausbildung erlaubt es, den Brennraum kurz zu halten und das Heißgas in den Rekuperator mit einer Temperatur von über 1000°C eintreten zu lassen. Zugleich ist aber auch eine Abkühlung des Heißgases unter den Taupunkt ohne Korrosionsgefahr möglich. Die sich innerhalb der keramischen Strömungskanäle für das Heißgas im Rekuperator niederschlagende Flüssigkeit wird zur Kaltgasseite des Rekuperators geleitet und dort abgeführt. Die Verbrennungs- und Heizeinrichtung besteht aus einem leicht handhabbaren, kompakten Baustein, der gegenüber herkömmlichen Verbrennungs- und Heizeinrichtungen vergleichbarer Leistung einen äußerst geringen Raumbedarf aufweist. Um Wärmevcrluste im Brennraum zu vermeiden, sind den Brennraum nach außen abschließende Wände mit Wärmeverluste dämmenden Platten aus porenreichem keramischen Werkstoff belegt (Patentanspruch 2).

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist nach Patentiinspruch 3 vorgesehen, daß ein Teil des Rekuperators zur Vorwärmung von dem Brennerkopf zuzuführender Verbrennungsluft dient. Dies ist insbesondere bei Verwendung flüssiger Brennstoffe von Bedeutung und bei Ausbildung des Brennerkopfes in der Weise, daß der Brennstoff in die vorgewärmte Verbrennungsluft verdunstet.

Eine weitgehende Ausnutzung der im Brennraum erzeugten Wärmeenergie für die Heizung und Warmwasserversorgung von Wohnräumen oder Wobngebäuden wird durch die in Patentanspruch 4 angegebene Aufteilung des Rekuperators in zwei vom Heißgas durchströmte Wärmeaustauschzonen gewährleistet. Der Rekuperator weist in Strömungsrichtung des Heißgases gesehen zunächst eine Wärmeaustauschzone auf. in der ein der Gebäudeheizung dienendes Medium erhitzt wird, und im Anschluß daran eine Wärmeaustauschzone zur Erwärmung von Brauchwasser. In der zuletzt erwähnten Wärmeaustauschzone wird das Heißgas unter die Taupunkttemperatur abgekühlt. Um eine möglichst hohe Austrittstemperatur für das der Gebäudeheizung dienende Medium zu erzielen, sind in den .Strömungskanälen für das aufzuheizende Medium im Rekuperator Einbauten zur Umlenkung der Strömung eingesetzt. Patentanspruch 5. Bevorzugt sind solche Einbauten bei Gegenstrom des aufzuheizenden Mediums in dem Teil der Slrömungskunälc angebracht, der an der Heißgaseinlrittsseitc lies Rekuperators gelegen isi.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeisptelcn. die in der Zeichnung schematisch wiedergegeben sind, naher erläutert. Es zeigt im einzelnen

I" i g. 1 Längsschnitt einer Heizeinrichtung mit keramischem Brennerkopf für gasförmigen Brennstoff und keramischen Rekuperator mit zwei Wärmeaustausch-

zonen, gemäß Schnittlinie l/l nach F i g. 2,

F i g. 2 Querschnitt durch einen Brennerkopf und Rekuperator der Heizeinrichtung nach F i g. 1 gemäß Schnittlinie Π/Π.

F i g. 3 Heizeinrichtung mit keramischem Brennerkopf für flüssigen Brennstoff und keramischem Rekuperator mit Vorerhitzungsteil für die Verbrennungsluft und einer Wärmeaustauschzone zur Aufbereitung von Warmwasser.

Die in der Zeichnung wiedergegebenen Verbrennungs- und Heizeinrichtungen weisen jeweils einen keramischen Brennerkopf 1 und einen aus gleichem Material bestehenden Rekuperator 2 auf, die zu einem einheitlichen keramischen Block in der Weise zusammengefügt sind, daß zwischen Brennermund 3 des Brennerkopfes 1 und Heißgaseinlaß 4 des Rekuperators 2 ein kurzer Brennraum 5 ausgebildet ist, vgl. Fig. 1. In den Brennraum ragt eine Zündeinrichtung 60 für den Start der Verbrennungs- und Heizeinrichtung hinein. Brennerkopf 1 und Rekuperator 2 weisen eine Vielzahl parallel geführter Strömungskanäle mit schlitzförmigem Strömungsquerschnitt auf und sind hinsichtlich der Anordnung der Strömungskanäle gleich aufgebaut. In F i g. 2 ist ein Halbschniu von Brennerkopf 1 und Rekuperator 2 gemäß Schnittlinie 11/11 nach Fig. 1 gezeigt. Daraus ist ersichtlich, daß im Brennerkopf 1 nebeneinander Strömungskanäle 6 für Brennstoff und Strömungskanäle 7 für Verbrennungsluft angeordnet sind. Die Strömungskanäle 6 und 7 münden am Brennermund 3 derart, daß Brennstoff und Verbrennungsluft auf der gesamten Brennermundfläche intensiv miteinander vermischt werden und in einer kurzen Verbrennungszone, deren Flammenfront der Brennertnundfläche entspricht und den gesamten Brennraum 5 ausfüllt, verbrennen. Um Wärmeverluste zu vermeiden, ist der Brennraum mit Isolierplatten 8 ausgelegt. Die lsolierpiatten bestehen aus gasundurchlässigem, porösen keramischen Werkstoff.

Den Strömungskanälen 6 wird im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 gasförmiger Brennstoff über eine Brennstoffleitung 9 zugeführt, die Verbrennungsluft strömt über eine Zuführung 10 in die Strömungskanäle 7 des Brennerkopfes ein. Brennstoffleitung 9 und Zuführung 10 sind am Brennerkopf 1 seitlich angeschlossen.

Im keramischen Rekuperator 2 sind Strömungskanälc 11 für Heißgas und Strömungskanäle 12 für ein im Wärmeaustausch mit dem Heißgas stehendes Medium benachbart angeordnet. Das Heißgas wird auf der dem Brennraum 5 zugewandten Stirnseite des Rekuperators am Heißgaseinlaß 4 eingeführt. Die Strömungskanäle 11 sind an dieser Stirnseite des Rekuperators geöffnet. Im Ausführungsbeispiel wird in einer ersten Wärmeaustauschzone 13 des Rekuperators 1 Wasser erhitzt, das Heizungszwecken dient. Das Wasser strönn :n den Strömungskanälen 12 der Wärmeaustauschzone 13 im Gegenstrom zum Heißgas. In einer zweiten Wärmeaustauschzone 14 des Rekuperators wird in Strömungskanälen 12' Brauchwasser erwärmt. Ein Brnuchwassereinlaß 16 ist in Strömungsrichtung des Heißgases gesehen am Ende des Rekuperators 2 vorgesehen. In Fig. 1 ist die Strömungsrichtung des Heißgases durch einen mit gestrichelten Linien markierten Strömungspfeil gekennzeichnet. Die Strömungslinien für das Wasser sind in den Wärmeaustauschzonen 13 und 14 mittels durchgezogen gezeichneten Pfeilen angegeben. Nach seiner Erwärmung in der Wärmeaustimschzone 14 verlaßt das Brauchwasser den Rekuperator 2 am Brauehu asseraustritt 17. Das Heizungs/wecken dienende Wasser wird der Wärnieaustausch/.one 13 über eine Rücklaufleitung 18 zugeführt und strömt nach Erhitzung in eine Vorlaufleilung 19 ein. Um hohe Vorluuftemperaturen für den Heizungskreislauf zu erzielen, weisen die Strömungska-

näle 12 in ihrem dem HeißgaseinlaS 4 zugewandten Teil Einbauten 20 zur Umlenkung der Strömung des Heizwassers auf. Alle Zu- und Ableitungen für Heizwasser und Brauchwasser sind seitlich am Rekuperator 2 angeschlossen. Die Strömungskanäle 12 und 12', die im Rekuperator fluchtend verlaufen, sind an eier Stelle, an der die Wärmeaustuuschzone 13 an die Wärrneaustauschzone 14 angrenzt, durch eingesetzte Zwischenwände 15 voneinander getrennt.

Die Strömungskanäle 11 für das Heißgas durchziehen beide Wärmeaustauschzonen 13, 14 des Rekuperators. Das Heißgas strömt am Ende der Wärmeaustauschzone 14 über einen Gasauslaß 21 ab. Es wird in der Wärmeaustauschzone 14 bis unter die Taupunkttemperatur abgekühlt. Das sich dabei in den Strömungskanälen 11 niederschlagende Kondensat wird über einen Kondensatablauf 22 abgeführt.

Die in F i g. 1 und 2 dargestellte Heizeinrichtung ist für eine Heizleistung von mehreren Kilowatt ausgelegt. Insgesamt weist der keramische Block einschließlich Brennerkopf und Rekuperator eine Baulänge von etwa 55 cm auf.

F i g. 3 zeigt eine Heizeinrichtung mit einem keramischen Brennerkopf 23 für flüssigen Brennstoff. Hinsichtlich der Anordnung der Strömungskanäle für Brennstoff

jo und Oxidationsmittel ist der Brennerkopf 23 in gleicher Weise wie der Brennerkopf 1 im Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 und 2 ausgebildet und weist eine Vielzahl benachbarter Kanäle mit schlitzförmigem Querschnitt auf. In F i g 3 ist im Längsschnitt ein Verbrennungsluftkanal 24 sichtbar. Der Brennerkopf 23 ist zum Rekuperator 25 vcrsci/.i angeordnet und derart angeschlossen, daß in einer Vorwärmzone 26 im Rekuperator erhitzte Verbrennungsluft am Übergang 27 unmittelbar in die Verbrennungsluftkanäle 24 des Rekuperators überströmen kann. Am Anschluß 28 wird dem Brennerkopf 23 flüssiger Brennstoff zugeführt. Die in F i g. 3 nicht sichtbaren Brennstoffkanäle des Brennerkopfes sind am Brennermund 29 verschlossen. Der Brennerkopf 23 weist zwischen den Verbrennungsluftkanälen 24 und den Brennstoffkanälen porös·. Trennwände 30 auf, die für den Brennstoff durchlässig sind. In F i g. 3 ist eine der porösen Trennwände 30 als punktierte Fläche markiert. Auf der den Verbrennungsluftkanälen 24 zugewandten Oberfläche der Trennwände 30 verdunstet der die Trennwände durchdringende Brennstoff in die vorgewärmte Verbrennungsluft und vermischt sich mit dieser zu einem zündfähigen Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisch. Das Gemisch wird im Ausführungsbeispiel seitlich in einen vor dem Rekuperator 25 angeordneten Brennraum 31 eingeführt. In den Brennraum ragt für den Start des Brenners eine Zündeinrichtung 32 hinein.

Das im Brennraum 31 erzeugte Heißgas wird im Rekuperator in gleicher Weise wie beim Auuführungsbeispiel nach F i g. 1 und F i g. 2 in Heißgaskanälen 34 geführt, die an einer dem Brennraum 31 zugewandten Stirnseite, am Heißgaseinlaß 33 des Rekuperators geöffnet sind. In der bereits oben erwähnten Vorwärmzone 26 des Rekuperators wird die dem Brennerkopf 23 zuzuführende Verbrennungsluft vorgewärmt. Die Vor-

(,-> wärm/oiie 26 weist deshalb auch eine elektrische Widersiandsheizung 35 auf. die beim Kaltstart der Heizeinrichtung eingeschaltet wird, um die Verbrennungsluft soweit vorzuwärmen, daß sich im Brennerkopf durch

Verdunsten von Brennstoff ein zündlähiges Gemisch ausbilden kann. Im Ausführungsbeispiel ist als elektrische Widerstandsheizung in einfachster Weise ein elektrischer Heizdraht in die Verbrennungsluftkanäle eingeführt. Der Heizdraht ist an eine in der Zeichnung nicht dargestellte Spannungsquelle anschlicßbar. Zur Aufheizung der Verbrennungsluft beim Kaltstart lassen sich jedoch auch die zwischen den Strömungskaniilen für Verbrennungsluft und Heißgas in der Vorwärnizone 26 vorhandenen Trennwände 36 nutzen. Zu diesem Zweck κι bestehen die Trennwände 36 aus keramischem, elektrisch leitenden Material. Die elektrische Widerstandsheizung 35 ist lediglich während der Startphase der Heizeinrichtung in Betrieb. 1st in der Vorwärmzone die Betriebstemperatur erreicht, so wird die Widerstands- i^r> heizung 35 abgeschaltet.

Im Anschluß an die Vorwärmzonc 26 durchströmt das Heißgas im Rekuperator 25 eine Wärmeaustauschzone 37 zur Erwärmung von Wasser. Die Strömungskanäle für das Wasser und die Strömungskanäle für die vorzuwärmende Verbrennungsluft sind im Rekuperator 25 fluchtend angeordnet. In F i g. 3 sind die Strömungskanäle nicht sichtbar. Gestrichelt ist lediglich ein Verschlußstück 38 zwischen den Sirömungskanälcn eingezeichnet, das zugleich die Grenze zwischen der Vor- 2^r> wärmzone 26 des Rekuperators und der Wärnieaustauschzone 37 erkennen läßt. Das zu erwärmende Wasser wird in die Wärmeaustauschzone 37 am Zufluß 39 eingeführt und aus dem Rekuperator am Austritt 40 entnommen. Die Verbrennungsluft strömt in die Vorwärmzone 26 des Rekuperators über die öffnung 41 ein und verläßt die Vorwärmzone, wie bereits angegeben, am Übergang 27 zum Brennerkopf 23.

Das Heißgas durchströmt sowohl die Vorwärmzone 26 als auch die Wärmeaustauschzone 37 des Rekuperators in Heißgaskanälen 34 vom Heißgaseinlaß 33 bis zum entgegengesetzt liegenden Gasauslaß 42. Es wird im Rekuperator bis unter die Taupunkttemperatur abgekühlt. Das dabei in den Heißgaskanälen 34 gebildete Kondensat wird am Ende des Rekuperators am Gasaus- to laß 42 in einer in F i g. 3 nicht gesondert dargestellten Kondensatleitung aufgefangen und abgeführt.

Die Heizeinrichtung nach K i g. 3 ist für eine Heizleistung von mehreren Kilowatt ausgelegt. Insgesamt weist der keramische Stock einschließlich Brennerkopf und Rekuperator eine Baulänge von etwa 50 cm aus.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

L Verbrennungs- und Heizeinrichtung mit einem keramischen Brennerkopf mit zum Brennermund parallel zueinander geführten Strömungskanälen für Brennstoff und Oxidationsmittel, die einen schlitzförmigen Querschnitt aufweisen und längs ihrer gestreckten Seiten benachbart angeordnet sind, und einem keramischen Rekuperator mit parallel zueinander geführten schlitzförmigen Strömungskanälen für vom Brennraum abströmendes Heißgas und für ein aufzuheizendes Medium, die ebenfalls längs ihrer gestreckten Seiten benachbart angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß Brennerkopf (1, 23) und Rekuperator (2, 25) miteinander derart zu einem einheitlichen keramischen Block verbunden sind, daß zwischen Brennermund (3, 29) des Brennerkopfes und stirnseitig vorgesehenem Heißgaseinlaß (4,33) des Rekuperators ein zu Brennerkopf und Rekuperator fluchtend angeordneter Brennraum (5,31) ausgebildet ist.
2. Verbrennungs- und Heizeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß den Brennraum (5) nach außen abschließende Wände mit Isolierplatten (8) aus porenreichem keramischen Werkstoff belegt sind.
3. Verbrennungs- und Heizeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rekuperator (25) eine der Vorwärmung von Ver- jo brennungsluft dienende Wärmeaustauschzone (26) aufweist.
4. Verbrennungs- und Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daö der Rekuperator (2) in Strömungsrichtung des Heißgases gesehen zunächst eine Wärmeaustauschzone (13) zur Erhitzung eines Heizungszwecken dienenden Mediums und im Anschluß daran eine Wärmeaustauschzone (14) zur Erwärmung von Brauchwasser aufweist.
5. Verbrennungs- und Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rekuperator (2) in den das aufzuheizende Medium führenden Strömungskanälen (12) Einbauten (20) zur Strömungsumlcnkung aufweist.